Телекомунікаційні системи та мережі. Том 1. Структура й основні функції.  /  Зміст  /  Розділ 1. Основи побудови телекомунікаційних систем  /  Тема 1.3. Класифікація мереж, клієнтів, операторів і послуг зв’язку

Зміст:

1.3.1. Класифікація телекомунікаційних мереж

Телекомунікаційні системи та мережі поділяють за призначенням, принципами побудови, приналежністю тощо.

За функціональним призначенням мережі поділяються на транспортні мережі та мережі доступу.

Транспортна мережа, або ядро мережі (backbone або core network), — це універсальна мережа, що реалізує функції транспортування/комутації й об’єднує окремі мережі доступу із забезпеченням транзиту трафіка між ними високошвидкісними каналами. До складу транспортної мережі можуть входити:

  • транзитні вузли, що виконують функції перенесення і комутації;
  • кінцеві (граничні) вузли, що забезпечують доступ абонентів до транспортної мережі;
  • сервери сигналізації, що виконують функції обробки інформації сигналізації, управління викликами та з’єднаннями;
  • шлюзи, що дозволяють здійснити підключення різнорідних, тобто апаратно і програмно несумісних між собою мереж зв’язку.

Сервери сигналізації можуть бути винесені в окремі пристрої, призначені для обслуговування декількох вузлів комутації. Використання спільних серверів дозволяє розглядати їх як єдину систему комутації, розподілену мережею. Це не тільки спрощує алгоритми встановлення з’єднань, але є найбільш економічним для операторів зв’язку, оскільки дозволяє замінити коштовні системи комутації великої ємності невеликими, гнучкими і доступними за вартістю системами.

Під мережею доступу (access network) розуміється системно-мережна інфраструктура, яка призначена для концентрації інформаційних потоків, що надходять від обладнання користувачів, і складається з абонентських ліній, вузлів доступу і систем передачі, що забезпечують підключення термінальних пристроїв користувачів до точки агрегації трафіка.

За відомчою приналежністю телекомунікаційні мережі поділяють на такі групи:

  • мережі зв’язку загального користування;
  • виділені мережі зв’язку;
  • технологічні мережі зв’язку;
  • мережі спеціального призначення.

Мережа зв’язку загального користування (ЗК) призначена для надання телекомунікаційних послуг будь-якому користувачеві. Мережа зв’язку ЗК є комплексом взаємодіючих мереж зв’язку, включаючи мережі зв’язку для розповсюдження програм телевізійного і радіомовлення.

Виділені технологічні, а також мережі зв’язку спеціального призначення утворюють групу мереж обмеженого користування (ОбК). Виділені мережі зв’язку — це мережі, призначені для надання послуг обмеженому колу користувачів. Такі мережі можуть взаємодіяти між собою, проте поєднані з мережами загального користування.

Технологічні мережі зв’язку призначені для забезпечення виробничої діяльності організацій і управління технологічними процесами.

Мережі зв’язку спеціального призначення застосовують для забезпечення потреб державного управління, оборони, безпеки й охорони правопорядку в країні.

За типом абонентських терміналів, які використовуються в ТКС, телекомунікаційні мережі поділяються:

  • на мережі фіксованого зв’язку, що забезпечують приєднання стаціонарних абонентських терміналів;
  • мережі рухомого зв’язку, що забезпечують приєднання рухомих (що перевозяться або переносяться) абонентських терміналів.

Традиційно телекомунікаційні мережі поділяють на первинні та вторинні. Первинна мережа є сукупністю каналів і трактів передачі, утворених обладнанням вузлів і ліній передачі (або фізичних ланцюгів), що з’єднують ці вузли. Первинна мережа надає канали передачі (фізичні ланцюги) вторинній мережі для утворення каналів зв’язку. Вторинна мережа є сукупністю каналів зв’язку, утворюваних на базі первинної мережі шляхом їх комутації (маршрутизації) у вузлах комутації й організації зв’язку між абонентськими пристроями користувачів.

За кількістю підтримуваних служб зв’язку мережі бувають:

  • моносервісні, спочатку призначені для надання однієї служби зв’язку (наприклад, мережі радіомовлення, кабельного телебачення, телефонна мережа загального користування (ТМЗК), мережа передачі даних загального користування (МПДЗК));
  • мультисервісні, призначені для організації двох і більше служб зв’язку (наприклад мережа телефонної, факсимільної і низки мультимедійних служб).

За типом передавального середовища мережі можуть бути також класифіковані на проводові (аналогові та цифрові мережі; кабельні й оптоволоконні мережі), безпроводові або радіомережі (стільникові, транкінгові мережі та супутникові мережі) та змішані.

За кількістю мережних технологій і протоколів, що підтримуються в мережі, ТКС поділяються на однорідні та неоднорідні, які ще  називають  гетерогенними  (мультипротокольними). Однорідні мережі, як правило, функціонують на основі єдиної телекомунікаційної технології (IP, ATM, MPLS). Мультипротокольна мережа — мережа зв’язку, що забезпечує перенесення різних видів інформації з використанням різних технологій і протоколів передачі. Для мереж, які складаються з неоднорідних підмереж, часто використовується термін інтермережа.

За видами комутації мережі поділяють на:

  • некомутовані;
  • комутовані — з комутацією каналів, повідомлень, пакетів.

Під час використання режиму комутації каналів встановлюється пряме фізичне з’єднання між вузлами мережі.

При комутації повідомлень між вузлами «відправник — одержувач» фізичне з’єднання не встановлюється, а мережні вузли дозволяють накопичувати (буферизувати) повідомлення і надсилати їх відповідно до заданої системи пріоритетності за певним маршрутом.

При пакетній комутації повідомлення користувача розбиваються на дрібніші частини — пакети, причому кожний пакет містить службові поля і поле даних. Існують два основні режими передачі даних при пакетній комутації:

  • режим віртуальних з’єднань, коли між вузлами встановлюється й підтримується логічне з’єднання — віртуальний канал;
  • дейтаграмний режим (дейтаграмна служба), при якому кожний пакет повідомлення, у загальному випадку, передається між мережними вузлами незалежно один від одного.

За адміністративним розподілом мережі поділяють на:

  • магістральну мережу, яка зв’язує між собою телекомунікаційні вузли країни в цілому й забезпечує транзит потоків повідомлень між зоновими мережами;
  • зонові (або регіональні) мережі, побудовані в межах території одного або декількох регіонів (груп областей) країни;
  • місцеві мережі, які утворені в межах адміністративної або визначеної за іншим принципом території і не належать до регіональних мереж зв’язку. Місцеві мережі поділяються на міські та сільські;
  • міжнародна мережа — мережа загального користування, приєднана до мереж зв’язку іноземних держав.

За характером топології мережі поділяються на повнозв’язні, тобто мережі, в яких кожний вузол мережі пов’язаний зі всіма іншими вузлами, і неповнозв’язні. За великої кількості вузлів повнозв’язана мережа вимагає багато каналів зв’язку і її важко реалізувати через технічні складнощі і високу вартість. Тому переважна більшість мереж є неповнозв’язними. Незважаючи на те, що при заданій кількості вузлів у неповнозв’язній мережі може існувати досить велика кількість варіантів з’єднання вузлів мережі, на практиці зазвичай використовується декілька основних схем з’єднання вузлів (топологій) мережі.

Відповідно до цих топологій телекомунікаційні мережі поділяють на такі основні класи:

  • зірка (зіркоподібна), коли всі вузли мережі підключаються до одного центрального вузла, що називається хостом (host) або хабом (hub);
  • кільцева, коли всі вузли мережі підключаються до одного замкнутого кільцевого каналу;
  • шинна, коли всі вузли мережі підключаються до одного незамкнутого каналу, який зазвичай називається шиною;
  • ієрархічна топологія — топологія типу «дерево».

Топологія типу «зірка». Пропускна здатність мережі зв’язку з такою топологією визначається продуктивністю центрального вузла (рис. 1.3.1), який може бути «вузьким місцем» такої мережі. У разі виходу з ладу центрального вузла порушується робота всієї мережі. Колізій (зіткнень) даних при цьому не виникає. Кабельне з’єднання досить просте, оскільки кожна робоча станція пов’язана з вузлом. Витрати на прокладку кабелів високі, особливо коли центральний вузол географічно розташований не в центрі топології.

При розширенні мереж зв’язку не можуть бути використані раніше використовувані кабельні зв’язки: до нового робочого місця необхідно прокладати окремий кабель із центру мережі.

Топологія у вигляді зірки має найбільшу швидкодію зі всіх топологій мереж зв’язку, оскільки передача даних між робочими станціями проходить через центральний вузол (при його високій продуктивності) за окремими лініями, які використовуються тільки цими робочими станціями.

Рис. 1.3.1. Топологія мережі у вигляді зірки

Кільцева топологія. У разі кільцевої топології мережі робочі станції зв’язані одна з одною по колу, тобто робоча станція 1 з робочою станцією 2, робоча станція 3 з робочою станцією 4 тощо. Остання робоча станція пов’язана з першою. Комунікаційний зв’язок замикається в кільце (рис. 1.3.2).

Рис. 1.3.2. Кільцева топологія мережі

Прокладка кабелів від однієї робочої станції до іншої може бути досить складною й коштовною, особливо якщо географічно робочі станції розташовані далеко від кільця (наприклад, у лінію). Повідомлення циркулюють регулярно колом. Робоча станція розсилає за певною кінцевою адресою інформацію, заздалегідь отримуючи з кільця запит. Пересилання повідомлень є дуже ефективним, оскільки більшість повідомлень можна надсилати кабельною системою одне за іншим. Дуже просто можна зробити кільцевий запит на всі станції. Тривалість передачі інформації збільшується пропорційно кількості робочих станцій, що входять до мережі зв’язку.

Основна проблема організації кільцевої топології полягає в тому, що кожна робоча станція повинна брати активну участь у пересиланні інформації, й у разі виходу з ладу хоча б однієї з них вся мережа паралізується. Окрім того, ймовірні несправності в кабельних з’єднаннях локалізуються легко. Підключення нової робочої станції вимагає короткого термінового вимкнення мережі, оскільки під час установки кільце має бути розімкнутим. Обмеження на довжину мережі не існує, тому що воно, зрештою, визначається винятково відстанню між двома робочими станціями.

Спеціальною формою кільцевої топології є логічна кільцева мережа. Фізично вона монтується як з’єднання зіркоподібних топологій. Окремі зірки включаються за допомогою спеціальних комутаторів (від англ. hub — концентратор). Залежно від кількості робочих станцій і довжини кабелю між робочими станціями застосовують активні або пасивні концентратори. Активні концентратори додатково містять підсилювач для підключення від 4 до 16 робочих станцій. Пасивний концентратор є винятково пристроєм-розгалужувачем (максимум на три робочі станції). Управління окремою робочою станцією в логічній кільцевій мережі відбувається так само, як й у звичайній кільцевій мережі. Кожній робочій станції присвоюється відповідна адреса, за якою передається управління (від старшого до молодшого й від наймолодшого до найстаршого). Розрив з’єднання відбувається тільки для нижчого (найближчого) вузла мережі, так що робота всієї мережі може порушуватися лише зрідка.

Шинна топологія. За умов шинної топології (рис. 1.3.3) середовище передачі інформації представляється у формі комунікаційного шляху, доступного для всіх робочих станцій, до якого вони всі повинні бути підключені. Усі робочі станції можуть безпосередньо вступати в контакт із будь-якою робочою станцією, наявною в мережі.

Рис. 1.3.3. Шинна топологія мережі

Робочі станції в будь-який час, без переривання роботи всієї мережі, можуть бути підключені до неї або відключені. Функціонування мережі зв’язку не залежить від стану окремої робочої станції. У стандартній ситуації для шинної мережі Ethernet часто використовують тонкий кабель або Cheapernet-кaбeль із трійниковим з’єднувачем. Вимикання й особливо підключення до такої мережі вимагають розриву шини, що викликає порушення циркулюючого потоку інформації й зависання системи. Нові технології пропонують пасивні штепсельні коробки, через які можна вимикати й (або) вмикати робочі станції під час роботи мережі.

У мережах зв’язку із прямою (без модуляції) передачею інформації завжди може існувати тільки одна станція, що передає інформацію. Для запобігання колізій у більшості випадків застосовується часовий метод поділу, відповідно до якого для кожної підключеної робочої станції в певні моменти часу надається виключне право на використання каналу передачі. Тому вимоги до пропускної здатності мережі при підвищеному навантаженні знижуються, наприклад, при введенні нових робочих станцій. Робочі станції приєднуються до шини за допомогою пристроїв — точок підключення терміналу ТАР (Termіnal Access Poіnt), який являє собою спеціальний тип приєднання до коаксіального кабелю.

У мережах із використанням широкосмугової передачі інформації різні робочі станції одержують, за необхідності, частоту, на якій ці робочі станції можуть відправляти й одержувати інформацію. Дані, що пересилають, модулюються на відповідних носійних частотах, тобто між середовищем передачі інформації й робочими станціями знаходяться відповідно модеми для модуляції й демодуляції. Техніка широкосмугових повідомлень дозволяє одночасно транспортувати в комунікаційному середовищі досить великий обсяг інформації. Для подальшого розвитку дискретного транспортування даних не важливо, яка первісна інформація подана в модем (аналогова або цифрова), оскільки її все одно надалі буде перетворено.

Порівняльну характеристику різних топологій мереж зв’язку наведено в табл. 1.3.1.

Таблиця 1.3.1 Порівняльна характеристика різних мережних топологій

Характеристика
Топологія
Зірка
Кільце
Шина
Вартість розширення
Незначна
Середня
Середня
Приєднання абонентів
Пасивне
Активне
Пасивне
Захист від відмов
Незначний
Незначний
Високий
Розмір мережі
Будь-який
Будь-який
Обмежений
Захист від прослуховування
Добрий
Добрий
Незначний
Вартість підключення
Незначна
Незначна
Висока
Поводження мережі при високих навантаженнях
Добре
Задовільне
Незадовільне
Можливість роботи в реальному режимі часу
Дуже добра
Добра
Незадовільна
Розведення кабелю
Добре
Задовільне
Добре
Обслуговування
Дуже добре
Середнє
Середнє

Деревоподібна структура мережі. Разом із відомими топологіями мереж — кільце, зірка й шина — на практиці застосовується й комбінована, наприклад, деревоподібна структура мережі (рис. 1.3.4). Вона створюється переважно у вигляді комбінацій вищезгаданих топологій мереж. Основа дерева мережі зв’язку розташовується в точці (корінь), у якій збираються лінії зв’язку (гілки дерева). Мережі з деревоподібною структурою застосовуються там, де неможливе безпосереднє застосування базових мережних структур у чистому вигляді.

Рис. 1.3.4. Деревоподібна структура мережі

Для підключення великої кількості робочих станцій застосовують мережні підсилювачі й (або) комутатори. Комутатор, що виконує одночасно й функції підсилювача, називають активним концентратором. На практиці застосовують два їх основні різновиди, що забезпечують підключення відповідно восьми або шістнадцяти ліній. Пристрій, до якого можна приєднати максимум три станції, називають пасивним концентратором, який зазвичай використовують як розгалужувач. Він не потребує наявності підсилювача. Передумовою для підключення пасивного концентратора є те, що максимальна можлива відстань до робочої станції не має перевищувати декількох десятків метрів.

Мережі можуть бути також змішаної топології, коли окремі фрагменти мережі (підмережі) мають різну топологію.

За сферою використання мережі можуть бути наприклад, банківськими, мережами наукових установ, університетськими мережами.

За формою функціонування можна виділити комерційні мережі (з оплатою за використання обладнання й мережних ресурсів) і безкоштовні мережі, корпоративні (приватні) мережі й мережі загального користування.

За територіальним принципом мережі поділяються:

  • на глобальні мережі (Wide Area Network, WAN);
  • міські мережі (Metropolitan Area Network, MAN);
  • локальні мережі (Local Area Network, LAN).

Глобальна мережа — це територіально-розподілена мережа, що надає свої сервіси великій кількості кінцевих абонентів, які рознесені по великій території (сотні і тисячі кілометрів), як правило, в межах країни, континенту або всієї земної кулі.

Міські мережі об’єднують абонентів, розташованих на значній відстані один від одного (десятки кілометрів). Вони можуть забезпечувати інформаційну взаємодію абонентів усередині великого міста або окремого економічного району.

Локальна мережа об’єднує абонентів, розташованих у межах певної невеликої обмеженої за площею території, за допомогою одного або декількох високошвидкісних каналів передачі цифрової інформації — від 1 до 100 Мбіт/с (на сьогодні вже існують промислові зразки локальних мереж зі швидкостями близько 1 Гбіт/с). Нині відсутні чіткі обмеження на територіальний розкид абонентів локальної мережі. Зазвичай така мережа прив’язана до конкретного місця. До класу локальних мереж зв’язку належать мережі окремих підприємств, фірм, банків, офісів тощо. Протяжність такої мережі можна обмежити 1—2,5 км. Територіями, що обслуговуються, можуть бути як заводи, судна, літаки, так і установи, університети, коледжі.

Окремо слід відзначити корпоративні мережі, які надають послуги тільки користувачам — співробітникам того підприємства, яке користується мережею. На відміну від мереж операторів зв’язку, корпоративні мережі, у загальному випадку, не надають послуг іншим організаціям або користувачам. Для корпоративних мереж, які використовують технології мережі Інтернет, останнім часом все частіше використовується термін мережа Іntranet. Залежно від масштабу підприємства, а також від складності й різноманіття розв’язуваних завдань розрізняють мережі відділу, мережі кампуса і мережі масштабу підприємства.

Мережі відділів (рис. 1.3.5) — це мережі, які використовуються порівняно невеликою групою співробітників, що працюють в одному відділі підприємства. Ці співробітники розв’язують певні загальні завдання, наприклад ведуть бухгалтерський облік або займаються маркетингом. Вважається, що відділ може налічувати до 100—150 співробітників.

Рис. 1.3.5. Приклад мережі масштабу відділу

Існує й інший тип мереж, близький до мереж відділів, — мережі робочих груп. До таких мереж належать зовсім невеликі мережі, що включають до 10—20 користувачів. Характеристики мереж робочих груп практично не відрізняються від описаних вище характеристик мереж відділів. Такі властивості, як простота мережі й однорідність, тут виявляються найбільшою мірою, тоді як мережі відділів можуть наближатися в деяких випадках до наступного за масштабом типу мереж — мереж кампусів.

Мережі кампусів отримали свою назву від англійського слова campus — студентське містечко. Нині цю назву не пов’язують із студентськими містечками, а використовують для позначення мереж підприємств і організацій. Мережі кампусів (рис. 1.3.6) об’єднують безліч мереж різних відділів одного підприємства в межах окремої будівлі або однієї території, що покриває площу в декілька квадратних кілометрів. Служби такої мережі включають взаємодію між мережами відділів, доступ до загальних баз даних підприємства, факс-серверів, високошвидкісних модемів і високошвидкісних принтерів. У результаті співробітники кожного відділу підприємства дістають доступ до деяких файлів і ресурсів мереж інших відділів. Мережі кампусів забезпечують доступ до корпоративних баз даних незалежно від того, на яких типах комп’ютерів вони розташовуються.

Рис. 1.3.6. Приклад мережі кампуса

Мережі масштабу підприємства отримали свою назву від дослівного перекладу терміна «enterprise-wide networks», що використовується в англомовній літературі для позначення цього типу мереж. Мережі масштабу підприємства об’єднують велику кількість користувачів на всіх територіях окремого підприємства. Вони можуть бути складно зв’язані і здатні охоплювати місто, регіон або навіть континент. Кількість користувачів може сягати тисяч, а серверів — сотень, відстані між мережами окремих територій бувають такими, що доводиться використовувати глобальні зв’язки (рис. 1.3.7).

Рис. 1.3.7. Приклад корпоративної мережі